实验的五填料塔液侧传质膜系数地测定

1、实验五 填料塔液侧传质膜系数的测定一、实验目的填料塔在传质过程的有关单元操作中，应用十分广泛。实验研究传质过程的 控制步骤，测定传质膜系数和总传质系数，尤为重要。本实验采用水吸收二氧化碳，测定填料塔的液侧传质膜系数、总传质系数和 传质单元高度，并通过实验确立液侧传质膜系数与各项操作条件的关系。通过实验，学习掌握研究物质传递过程的一种实验方法，并加深对传质过程 原理的理解。膜膜图1双膜模型浓度分布图图2填料塔的物料衡算图双膜模型的基本假设，气侧和液测得吸收质A的传质速率方程可分别表达为 气膜Ga = kEA(pA-pAi)(1)液膜Ga = k”(CA,-Cj(2)式中：GAA组分的传质速率，k

2、mol sA两相接触面积，mp气侧A组分的平均分压，Pa；P/u 相界面上A组分的分压，P;CA 液侧A组分的平均浓度，kmoI m3：C/u 相界面上A组分的浓度.，kmol m；k以分压表达推动力的气侧传质膜系数，kmol mv s Pa 1:匕一以物质的量浓度表达推动力的液侧传质膜系数，m以气相分压或以液相浓度表示传质过程推动力的相际传质速率方程又可分别表 达为Ga二 Kw (pAPa*)(3)Ga二 KLa(C；-Ca)(4)式中：p为液相中A组分的实际浓度所要求的气相平衡分压，Pa：Ca为气相中A组分的实际分压所要求的液相平衡浓度，kmolm3;屁为以气相分压表示推动力的总传质系数或

3、简称为气相传质总系数， kmo I m2 s 1 Pa 1;Kl为以液相浓度表示推动力的总传质系数，或简称为液相传质总系数，ms= 若气液相平衡关系遵循亨利定律：CA= Ha,则=11 1 11 H 1=*疋L飓比1(6)当气膜阻力远大于液膜阻力时，则相际传质过程受气膜传质速率控制，此时，Kg= k;反之，当液膜阻力远大于气膜阻力时，则相际传质过程受液膜传质速率控制， 此时，KL=kio如图2所示，在逆流接触的填料层内，任意截取一微分段，并以此为衡算系统， 则由吸收质A的物料衡算可得：式中：斤为液相摩尔流率，kmol s1：Pl为液相摩尔密度,kmol s;根据传质速率基本方程，可写出该为分段

4、的传质速率微分方程: dGA = Kl(Ca*-Ca) aSdh(b)联立(a)和(b)两式可得：(c)式中：a为气液两相接触的比表而积，m7mS为填料塔的横截而积，m2本实验采用水吸收纯二氧化碳，且已知二氧化碳在常温下溶解度较小，因此，液 相摩尔流率Fl和摩尔密度Pl的比值，亦即液相体积流率(VJl可视为定值，且设 总传质系数氏和两相接触比表而积a,在整个填料层内为一定值，则按下列边值 条件积分(c)式，可得填料层高度的计算公式：h二0Ca=Ca. 22亘令英声，且称Hl为液本传质单元高度(HTU);且称Nl为液相传质单元数(NTU)o因此，填料层高度为传质单元高度与传质单元数之乘积，即h二

5、 Hl X Nl(8)若气液平衡关系遵循亨利定律，即平衡曲线为直线，则(7)式可用解析法解得 填料层高度的计算式，亦即可用下列平均推动力法计算填料层高度和液相传质单 元高度: f Vs 丄 Caa Ca.2h =(10)即KiuS AGt m(9)式中m为液相平均推动力,AC -入C庆23 = i叫In出(11)因为本实验采用纯水吸收纯二氧化碳，则Ca,1* = Ca, r= CA= HpA = Hp(12)二氧化碳的溶解度常数，kmo I m3 Pa 1(13)式中5为水的密度，kg m3： Me为水的摩尔质量，kg-kmo T1; E为亨利系数,P.OIn因此，(10)式可简化为(14)又

6、因本实验采用的物系有仅遵循亨利定律，而且气膜阻力可以不计。在此情况下, 整个传质过程阻力都集中于液膜，即属液膜控制过程，则液侧体积传质膜系数等 于液相体积传质总系数，亦即(15)对于填料塔，液侧体积传质膜系数与主要影响因素之间的关系，曾有不少研究者 由实验得出各种关联式。其中，Sherwood Hol loway得出如下关联式：单=&*(牛).2 Al Pldi(16)式中：叽一吸收质在水中的扩散系数，卅；L 液体质量流速，kg m2 s ;|1(_液体粘度,Pa s 或 kg nT sPl液体密度，kgm。应该注意的是Sherwood Hol Iwoay关联式中,(k,a/DL)和(L/pi

7、J两相没有特性 长度。因此，该式也不是真正无因次准数关联式。该式中A, m和n的具体数值 需在一定条件下由实验求取。三、实验装置本实验装置由清华华教公司制造安装。本实验装置由填料吸收塔、二氧化碳钢瓶、 高位稳压水槽和各种测量仪表组成，其流程如图3所示。图3填料吸收塔液侧传质膜系数测定实验装置流程K二氧化碳钢瓶2、减压阀3、二氧化碳流量计4、填料塔5、滴定计量球6、压差计7、水流量计8、高位水槽填料吸收塔采用直径为50mm的玻璃柱。柱内装填e5mm球形玻璃填料，填充 高度300mm。吸收质纯二氧化碳气体由钢瓶经二次减压阀、调节阀和转子流 量计，进入塔底。气体由上向下经过填料层与液相逆流接触，最后

8、由柱顶放空。 吸收剂水由高位稳压水槽，经调节阀和流量计，进入塔顶，再喷洒而下。吸 收E溶液由塔底经n形管排出。U形液柱压差计用以测量塔底压强和填料层的压强降。四、实验方法实验前，首先检查填料塔的进气阀和进水阀，以及二氧化碳二次减压阀是否 均已关严；然E打开二氧化碳钢瓶顶上的针阀，将压力调至1MPa;同时，向高位 稳压水槽注水，直至溢流管有适量水溢流而出。实验操作可按如下步骤进行：(1) 缓慢开启进水调节阀，水流量可在10-50L2范围内选取。一般在此范 围内选取5-6个数据点。调节流量时一定要注意保持高位稳压水槽有适量溢流水 流出。以保证水压稳定。(2) 缓慢开启进气调节阀。二氧化碳流量一般控

9、制在0.伽2左右为宜。(3) 当操作达到定常状态之后，测量塔顶和塔底的水温和气温，同时，测定 塔底溶液中二氧化碳的含量。溶液中二氧化碳含量的测定方法：用吸量管吸取0. 1MBa (0H)2溶液10mL,放入三角瓶中，并由塔底附设的计量管 滴入塔底溶液20mL,再加入酚駄指示剂数滴，最E用0. 1N盐酸滴定，直至其脱 除红色的瞬时为止。由空白试验与溶液滴定用量之差值，按下式计算得出溶液中 二氧化碳的浓度：Nhq Viici(0,01- )Ca =Nmoz002kmo I m3(17)式中Nhci为标准盐酸溶液的当量浓度，Vhci为实际滴定用量，即空白试验用量与滴 定试样使用量之差值,mL; V为

10、塔底溶液采样量,mL。五、实验结果1、测量并记录实验基本参数(1) 填料柱：填料型式：填料层高度：h二 mm堆积密度：pb= kg/m3mol/LmLmol/L柱体内径：d二mm填料规格：二mm比表而积：a f=m2/mJ空隙率： =(2) 大气压力：P二MPa(3) 室温：T= C(4) 试剂:Ba(0H)2溶液浓度二用 VBa (OH) 2= 盐酸浓度二123452. 测定并记录实验数据实验序号塔底气温，T,i/C气塔顶气温，Tx/C 相CO?流量，V5.E/m3塔底液温，Tl./C塔顶水温，Tl.2/C液水的流量，V5.L/Lh 相塔底采样量，V/mL盐酸滴定量,Vhci/oiL其中纯水的盐酸滴定量为 mLo3、整理实验数据，并可参考下表做好记录：实验序号12气平均温度，Te/ C相C02密度,p/kgnf平均温度，Tl/ C 液体密度，Pl/